III.2. Tranzystory bipolarne

Wstęp

Tranzystor bipolarny - element półprzewodnikowy o trzech końcówkach: emiter (E), baza (B), kolektor (C). Struktura wewnętrzna: warstwy n-p-n lub p-n-p, stanowiące obszary E, B, C.

Domieszkowanie: N_C = 10¹⁴ 10¹⁵cm^-3, N_B= 10¹⁶ 10¹⁸cm^-3, N_E= 10¹⁹ 10²⁰cm^-3. Grubość bazy - poniżej 1 m

Złącza: E - B; C - B.

Obszary (zakresy) pracy:

Aktywny normalny: E-B -przewodząco, C-B - zaporowo.

Aktywny inwersyjny: E-B - zaporowo, C-B - przewodząco.

Odcięcie: oba złącza zaporowo. Nasycenie: oba złącza przewodząco.

Konfiguracje: WB (CB); WE (CE).

W obszarze AN: Prąd emitera (wejściowy): głównie elektrony z E do B. Oporność wejściowa r_eb mała (złącze przewodzące). Elektrony wprowadzane do bazy w większości docierają do kolektora. Prąd kolektora (wyjściowy) bliski prądowi emitera. Oporność wyjściowa r_cb duża (złącze C-B polaryzowane zaporowo). Sygnał napięciowy na wyjściu większy od sygnału wejściowego.

Modele tranzystora idealnego

Założenia: złącza idealne; powierzchnie E-B i C-B równoległe: przepływ jednowymiarowy (z wyjątkiem ruchu nośników większościowych w bazie); szerokości W_E, W_B, W_C - stałe.

• Stałoprądowy model Ebersa - Molla

npn

Obszar A.N., Konfiguracja W.B., I_CW pomijalny

Charakterystyki wyjściowe

Konfiguracja W.E.

Charakterystyki wyjściowe

• Modele wielkosygnałowe dynamiczne

Model Ebersa-Molla uzupełniamy o nieliniowe pojemności złącz E-B i C-B

Złącze E-B. Pojemność dyfuzyjna:

Pojemność złączowa:

Złącze C - B: Pojemność dyfuzyjna:

Pojemność złączowa:

Modele małosygnałowe - obszar A.N.

Konfiguracja W.B.

Konfiguracja W.E.:

Wzmocnienia prądowe i częstotliwości graniczne.

Dla

2.3. Właściwości tranzystorów rzeczywistych

Rezystancje szeregowe

Efekt Early'ego - modulacja szerokości bazy

Zjawiska przebić. Złącze C - B: powielanie lawinowe.

W.B.

W.E.

W.E.: przebicie przy mniejszych napięciach niż w W.B.

Złącze E - B: małe napięcie przebicia.

Procesy generacyjno rekombinacyjne w warstwach ładunku przestrzennego.

Obszar A.N. I_CB0 - głównie prąd generacyjny.

Złącze E - B: prąd rekombinacyjny obok „zwykłego” prądu dyfuzyjnego; różne zależności od u_BE; im mniejszy prąd całkowity tym większy udział składowej rekombinacyjnej. Prąd kolektora: tylko składnik idealny. Skutek: efektywne współczynniki wzmocnienia prądowego mniejsze przy mniejszych prądach.

Efekty wysokoprądowe: Prądowa modulacja szerokości bazy (efekt Kirk'a), Zjawisko quasi-nasycenia, Zagęszczenie prądu przy brzegach złącza E-B (current crowding), Wysoki poziom wprowadzenia w bazie. Skutek: zmniejszanie wartości parametrów użytkowych (np. , f_T) w zakresie dużych prądów.

Najlepsze parametry użytkowe przy umiarkowanych gęstościach prądu. Pogarszanie parametrów przy dużych i małych prądach.

2.4 Tranzystor bipolarny jako przełącznik

I)
II), III)

II)
III)

I)
III)

II)

Praca impulsowa: najdłuższa faza przełączania to przejście z nasycenia do obszaru aktywnego.

2.5. Tranzystor jako wzmacniacz



Model małosygnałowy


m.cz.

3. Tranzystory polowe

3.1. Wstęp
Tranzystor polowy (Field - Effect Transistor - FET) element półprzewodnikowy trójkońcówkowy:

Źródło - S (Source); Dren - D (Drain); Bramka - G (Gate)

Prąd między S i D płynie przez kanał. Bramka, odizolowana od kanału oddziaływuje na przepływ prądu w kanale za pośrednictwem pola elektrycznego.

Dwie grupy: MOSFET i JFET. Różnica: sposób odizolowania bramki od kanału.

MOSFET - warstwa izolatora; JFET - złącze spolaryzowane zaporowo (p-n lub M-S)

3.2 Tranzystory MOSFET

Wykorzystują struktury Metal - Dielektryk - Półprzewodnik

Kanał n; Kanał p.

Kanał wbudowany (normalnie załączony; pracujący ze zubożaniem)

Kanał indukowany (normalnie wyłączony; pracujący ze wzbogaceniem)

Kanał n (Si: _n = 3_p)

Obszary pracy (dla u_BS = 0)

• Normalny (u_DS>0) i odwrotny (u_DS<0)
  
  Normalny:

Odcięcie u_GS < U_P

Nienasycenie u_GS - U_P > u_DS > 0
Nasycenie 0 < u_GS - U_P < u_DS u_GS - U_P = u_DS
punktowe zamknięcie kanału.

• Modele idealnego tranzystora MOSFET

Założenia:

1. N_B = const

b) _n = const

c) I_G = 0

4. Długość kanału L = const

5. Tylko prąd unoszenia

6. Nie ma przebić

7. r_S (G, D, S) = 0

Model stałoprądowy (wielkosygnałowy)

1. Odcięcie: i_DS = 0

2. Nienasycenie:

3. Nasycenie:

Normalnie:

pomijalne;

U_P - napięcie progowe;

Obszar nasycenia: możliwości wzmacniające tym lepsze im większe B.

Model wielkosygnałowy dynamiczny

Pojemności C_GS, C_GD i C_DB

Modele małosygnałowe (W.S)

1. nasycenie

b) nienasycenie (tylko m.cz.)

Szczegółowy przypadek - tzw. obszar liniowy

Regulowany rezystor:

• Rzeczywiste tranzystory MOSFET

• Ruchliwość

Długość kanału

W obszarze nasycenia:

Duże prądy: zależność g_m od U_GS słabsza niż według modelu idealnego.

Składowa dyfuzyjna: istotny udział w prądzie drenu w zakresie słabej inwersji (inaczej: zakres podprogowy - subthreshold region), co odpowiada małym prądom.

Zjawiska przebić: przebicie złącza D - B (lawinowe) w obszarze nasycenia; przebicie izolatora bramka - kanał (niszczące). Zabezpieczenia, np.:

Rezystancje szeregowe - istotne przy dużych częstotliwościach lub dużych szybkościach przełączania.

3.3 Tranzystory polowe złączowe

JFET (junction field effect transistors); dwie grupy: PNFET i MESFET.

Skrót JFET odnosi się zazwyczaj do pierwszej grupy.

Tranzystory JFET ze złączem p-n (Si)

Kanał (wbudowany) n lub p. Normalnie załączone.

Kanał n

Napięcie u_GS < 0 (złącze bramka-kanał spolaryzowane zaporowo).

Zmiany u_GS
zmiany szerokości warstw ładunku przestrzennego
zmiany grubości kanału
zmiany rezystancji kanału
zmiany prądu drenu przy danym u_DS.

Przy u_GS = U_P (<0) grubość kanału staje się równa zeru.

u_GS = U_P - odcięcie.

Dla u_GS - U_P = u_DS - punktowe zamknięcie kanału

Obszary pracy - jak dla MOSFET-a.

Modele - podobne do modeli MOSFET-a.

Prąd drenu w nasyceniu:

użyteczny zakres zmian u_GS: (U_P, 0)

Tranzystory MESFET (GaAs)

Większe
większe B (większe g_m) przy tym samym C_OX.

Dobre właściwości wzmacniające w zakresie w.cz. (powyżej 1 GHz).

Można wytwarzać półizolacyjne warstwy podłożowe (bo bardzo małe n_i).

Trudności z dyfuzją domieszek i wytwarzaniem złącz p-n. Łatwiej wykonać złącze Schottky'ego.

Materiał bramki inny niż elektrod S i D (struktury wielowarstwowe)

Kosztowna technologia.

Zastosowania: układy mikrofalowe, szybkie układy cyfrowe.

3.4 Tranzystory polowe jako elementy przełącznikowe i wzmacniające

Układ NMOS z opornikiem obciążającym

Przykład: U_P=1V, B = 0.5mA/V², U_DD = 5V, R = 4kΩ.

Nachylenie charakterystyki;

Np. dla u_WE =2V; K_u= - 2

• Układy NMOS z obciążeniem aktywnym

a) b)

Charakterystyka elementu obciążającego (rys. a)

Rezystancja różniczkowa:

Nachylenie charakterystyki przenoszenia inwertera (a):

• Inwerter CMOS

Charakterystyka przenoszenia symetryczna. Nachylenie K_u w punkcie środkowym wynika z nieidealności tranzystorów.

4. Diody i tranzystory w układach cyfrowych

Podstawowe operacje logiczne: NOT, OR, AND.

Negacja (NOT):

Suma (OR) i negacja sumy (NOR)

Iloczyn (AND) i negacja iloczynu (NAND)

Układ realizujący funkcje logiczne można przedstawić w postaci:

Pewnym przedziałom napięć przypisujemy „0” lub „1”

Charakterystyka przenoszenia: u_Y = f(u_X) - jedno z wejść aktywne, pozostałe połączone do + lub - zasilania.

Punkty pracy: A, B. Punkty jednostkowego wzmocnienia: C, D. Punkt przejściowy TP.

Amplituda logiczna:

UA = u_Y(A) - u_Y(B)

Zakres przełączania:

UZ = u_X(D) - u_X(C)

Marginesy zakłóceń:

M1 = u_X(C) - u_X(A) M2 = u_X(B) - u_X(D)

Marginesy zakłóceń powinny być duże w stosunku do UA, a to wymaga, aby UZ było małe.

Funkcje logiczne OR i AND można realizować w sposób prymitywny w układach złożonych z diod i oporników.

Przykłady.

Np. R2=5kΩ,

R1 = 0.5kΩ,

U_CC = 5V

1) OR;

2) AND;

Ograniczone możliwości: przy połączeniu kilku bramek - za mała amplituda logiczna, a nawet niemożność odróżnienia „0” i „1”. Brak funkcji NOT.

Użycie tranzystorów - realne bramki.

3) NAND - modyfikacja układu 2)

Może być więcej wejść - np. X3, X4...

uX1	X1	uX2	X2	uY	Y
0,5	0	0,5	0	5	1
0,5	0	4,5	1	5	1
4,5	1	0,5	0	5	1
4,5	1	4,5	1	0,2	0

Przewaga 3) nad 2): lepszy kształt charakterystyki przenoszenia; oporność wejściowa większa od wyjściowej
możliwość łączenia wielu bramek. AND = N(NAND).

Bramki podobne do układu 3) produkowano w latach 60 - tych (DTL - diode transistor logic). Potem opracowano TTL.

Standardowa bramka TTL NAND - przykład 4).

Lepszy kształt charakterystyki, mniejszy pobór mocy niż w bramce 3).

Kolejne wymaganie - szybkość pracy

Podstawowe modyfikacje układów TTL - układy TTL-S. Każdy tranzystor z dodatkową diodą Schottky'ego.

„Płytsze” nasycenie - krótszy czas wyłączania (wyjście z obszaru nasycenia).

Odmiany TTL: S, LS, AS, ALS, FAST i in.

Układy ECL - oparte na idei wzmacniacza różnicowego.

Y1 - NOR

Y2 - OR

• Bramki MOS

Bramki statyczne NMOS - modyfikacje inwertera.

Statyczne CMOS

NOR

X1	X2	Y
0	0	1
1	0	0
0	1	0
1	1	0

NAND

Bramki dynamiczne MOS - ogólna idea:

Ciągi impulsów zegarowych 1, 2 - w przeciwfazie. Mały pobór mocy. Dobra synchronizacja pracy różnych bloków.

X	Y
0	1
1	0

X1	X2	Y
0	0	0	1
0	1	1	0
1	0	1	0
1	1	1	0

X1	X2	Y	Y
0	0	0	1
0	1	0	1
1	0	0	1
1	1	1	0

uX1	X1	uX2	X2	uY	Y
0,5	0	0,5	0	0,5	0
4,5	1	0,5	0	3,9	1
0,5	0	4,5	1	3,9	1
4,5	1	4,5	1	3,92	1

uX1	X1	uX2	X2	uY	Y
0,5	0	0,5	0	1,1	0
0,5	0	4,5	1	1,1	0
4,5	1	0,5	0	1,1	0
4,5	1	4,5	1	4,5	1

X1	X2	Y
0	0	1
1	0	1
0	1	1
1	1	0

---